魏小燕

(湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 統(tǒng)計(jì)學(xué)院，武漢　430205)

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非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)—基于粒計(jì)算決策樹并行算法

魏小燕

(湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 統(tǒng)計(jì)學(xué)院，武漢430205)

摘要：作為占據(jù)世界21%人口的農(nóng)業(yè)大國，中國要發(fā)展先進(jìn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，需要合理使用化學(xué)肥料，提高肥料的使用效率。與固態(tài)肥料相比較，液態(tài)更容易被作物吸收，肥料利用更直接，效率較高，經(jīng)濟(jì)成本更低。在國際上，俄羅斯、美國、澳大利亞等國家已經(jīng)率先使用了液態(tài)肥料。為了節(jié)省肥料、提高農(nóng)作物對肥料的吸收利用率、節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本及降低對土壤的污染，基于粒計(jì)算決策樹并行算法，設(shè)計(jì)了非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)。該扎穴裝置在作業(yè)中，化學(xué)肥液浪費(fèi)較少、吸收效率較高。

關(guān)鍵詞：粒計(jì)算；決策樹；并行算法；齒輪行星；扎穴機(jī)構(gòu)

0引言

中國人口依舊持續(xù)增長，其與資源的矛盾逐漸顯現(xiàn)出來，化學(xué)肥料的亂用也導(dǎo)致環(huán)境污染日益突出。資源匱乏和環(huán)境污染是中國發(fā)展中面臨的兩個(gè)重大問題，兩者制約著中國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源投入比較高，但產(chǎn)量增長空間卻很低，肥料資源的利用率也比較低，浪費(fèi)嚴(yán)重。實(shí)現(xiàn)中國的可持續(xù)發(fā)展，解決資源緊缺的問題，就必須著手發(fā)展高科技農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)提高資源利用率，在節(jié)約、合理地使用資源的同時(shí)，使農(nóng)作物產(chǎn)量達(dá)到最大化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低成本和生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)著重發(fā)展應(yīng)用液體肥料，同時(shí)大力發(fā)展液態(tài)施肥裝置，設(shè)計(jì)制造出適合我國實(shí)際情況的液態(tài)施肥機(jī)械。本文以液態(tài)肥料為施肥對象，基于粒計(jì)算決策樹并行算法，設(shè)計(jì)了液態(tài)施肥機(jī)的非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)施肥針深入土壤80~130mm之間，具有噴施液態(tài)肥料的功能，可以提高液態(tài)肥料的使用率，避免化學(xué)肥料的大量浪費(fèi)，也可以降低農(nóng)民的生產(chǎn)成本，使農(nóng)民利益最大化。非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)自行式液態(tài)施肥機(jī)如圖1所示。

圖1　非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)的自行式液態(tài)施肥機(jī)

1非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)原理

液態(tài)施肥機(jī)是專用于農(nóng)田苗壟間作業(yè)以小型動力驅(qū)動的新型農(nóng)業(yè)機(jī)械，可以代替畜力施肥農(nóng)具在苗壟間完成施肥作業(yè)。該機(jī)型還可以配備三鏟頭耘鋤，施肥的同時(shí)還具有除草功能。液態(tài)施肥機(jī)主要由噴施控制閥、裝料箱、施肥器、傳動裝置及非規(guī)則齒輪機(jī)構(gòu)組成，是采用扎穴機(jī)構(gòu)將液體肥料注射到植物根部的設(shè)備，具有使用簡單及提高肥料利用率的優(yōu)點(diǎn)。原始液態(tài)施肥機(jī)的施肥針一般采用曲柄推進(jìn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡單方便，能夠滿足在深層土壤中噴施液體肥料的要求；但在作業(yè)行進(jìn)過程中穩(wěn)定性差、耗時(shí)長，即使已經(jīng)采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減震措施，操作過程中扎穴個(gè)數(shù)也不多，不能保證在快速操作時(shí)獲得高質(zhì)量的噴射施肥。針對效率低下、平穩(wěn)度不足的問題，本文設(shè)計(jì)了具有結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)平穩(wěn)流暢的非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)。非規(guī)則齒輪行星系與扎穴機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2　非規(guī)則齒輪扎穴機(jī)構(gòu)示意圖

扎穴機(jī)構(gòu)將施肥針扎入農(nóng)作物根部附近，并將液態(tài)肥料噴射其中，從而實(shí)現(xiàn)肥料的深穴噴施。扎穴機(jī)構(gòu)包括傳動帶、行星系、非規(guī)則齒輪和噴肥針。噴肥針插入土壤時(shí)開始噴施液體肥料，拔出土壤時(shí)即停止，該機(jī)構(gòu)可以提高肥料噴射的精準(zhǔn)度，是整個(gè)施肥機(jī)的重要部件之一。太陽輪、非規(guī)則齒輪、噴肥針、行星架共同構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)整體，以太陽輪為固定點(diǎn)，行星系繞固定軸運(yùn)動，非規(guī)則齒輪的傳送帶帶動行星架做有規(guī)律的擺動，施肥針與行星系相連并繞其做圓周運(yùn)動。因此，施肥針的運(yùn)動曲線會不斷變化。

2粒計(jì)算決策樹并行算法

決策樹算法是一種簡單的歸納分類方法，一般先對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，利用粒計(jì)算求出有規(guī)律的決策樹，然后依據(jù)該決策樹對新數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。粒計(jì)算決策樹并行算法挖掘數(shù)據(jù)的過程如圖3所示。

圖3　粒計(jì)算決策樹并行算法挖掘數(shù)據(jù)的過程

在尋找施肥針的運(yùn)動軌跡中，需要采集大量的有效數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的挖掘，獲得潛在的、有利用價(jià)值的信息，一般獲取到信息為一些概念、規(guī)則或固定模式。簡單算法對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘時(shí)會產(chǎn)生一些延時(shí)，為了解決這一問題，本文提出了基于粒計(jì)算決策樹并行算法。該算法的核心問題是尋求最優(yōu)化條件的效率，粒計(jì)算決策樹并行算法的實(shí)質(zhì)是引進(jìn)信息粒度化。引進(jìn)信息粒度化，根據(jù)并行算法測試數(shù)據(jù)及粒的二進(jìn)制獲取其增益信息，大大提高數(shù)據(jù)處理速度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

3齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型

扎穴機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中既要保證施肥速度，也要保證施肥質(zhì)量和作業(yè)的可靠性。為了達(dá)到在施肥過程中不傷害到作物根苗、不損壞施肥機(jī)械，對施肥針的運(yùn)動軌跡和垂直度需要有一定的要求：

①施肥針深入土壤深度為80~130mm；②兩個(gè)扎穴距離在200mm左右；③噴肥針深入土壤的角度在80°~100°之間。

噴濕機(jī)作業(yè)裝置一般以精簡、輕便為要求，以加強(qiáng)施肥效率和改的善裝置運(yùn)動力學(xué)特性為目的，在最大限度滿足上述3點(diǎn)的要求上，依據(jù)運(yùn)動力學(xué)和初始函數(shù)，使用離散仿真模型來進(jìn)行三維軟件仿真。非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型如圖4所示。

1.太陽輪　2.第1級中間輪　3.第1級中間輪

為了實(shí)現(xiàn)扎穴機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)軟件仿真，需要提前建立其運(yùn)動模型，對調(diào)整行星系角度后施肥針的軌跡變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4中：以x、y軸建立直角坐標(biāo)系xoy，根據(jù)初始函數(shù)y=ax-bsinx對施肥針運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析。其中，a、b為常數(shù)。為實(shí)現(xiàn)齒輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)得出特殊曲線，前面一個(gè)中間輪繞太陽輪運(yùn)轉(zhuǎn)的初始角度應(yīng)為

θ1=θ-k2sinθ

(1)

第2個(gè)中間輪相對整個(gè)系統(tǒng)架的初始角度為

θ2=θ-k2cosθ

(2)

根據(jù)兩個(gè)中間輪的運(yùn)轉(zhuǎn)角度和角位移可以得出行星輪相對運(yùn)動方程為

(3)

施肥針運(yùn)動軌跡相對于第1個(gè)中間輪輪心的運(yùn)動位移為

(4)

其中 ，k為常數(shù)；e為施肥針的長度；h為搖桿臂長度；l為行星輪與太陽輪的距離；θ為搖桿臂與性星系輪心的角度；β為行星系的開始角位移；α為施肥針與太陽輪之間的夾角。

在計(jì)算過程中，假設(shè)行星系的相對角速度是β3，第1個(gè)中間輪輪心到太陽輪輪心的距離為r1，第2個(gè)中間輪輪心到太陽輪輪心的距離為r2，則有

(5)

簡化為

(6)

假設(shè)非規(guī)則齒輪扎穴機(jī)構(gòu)前行速度為0，那么扎穴機(jī)構(gòu)針尖D的相對速度方程為

(7)

在機(jī)械式的運(yùn)動中，齒輪結(jié)構(gòu)傳動最為簡單，主要用于傳遞兩個(gè)連接軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，正常的圓形齒輪的傳動速度比一般為常數(shù)；而本文中研究的非規(guī)則齒輪則是變數(shù)，其比率不一，帶動施肥針運(yùn)動的軌跡也是不規(guī)則的，其軌跡曲線可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，靈活性較高。

為了實(shí)現(xiàn)行星系結(jié)構(gòu)做圓周運(yùn)動，行星系軸心與施肥針的距離為s，兩個(gè)中間輪輪心到太陽輪輪心的距離分別是r1、r2, 行星系結(jié)構(gòu)做圓周運(yùn)動的封閉軌跡的關(guān)系式為

(8)

當(dāng)太陽輪做整周運(yùn)動時(shí)，為保證扎穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動曲線封閉，第1級中間輪也要運(yùn)動360°，則整個(gè)扎穴機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的傳動比為

(9)

在非規(guī)則齒輪傳動速度比設(shè)計(jì)中，為了使齒輪的磨損最小，減小計(jì)算的繁瑣性，可以利用粒計(jì)算決策樹并行算法，通過對海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的信息處理，可就出e的精確值，即系統(tǒng)的傳動比。

4施肥針最優(yōu)運(yùn)動曲線仿真分析

在對施肥針運(yùn)動曲線進(jìn)行軟件仿真時(shí)，施肥針因太陽輪齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)而帶動施肥針做整周運(yùn)動。 對于不規(guī)則的齒輪傳動，施肥針的運(yùn)動軌跡與因子變量α的初始值有關(guān)，對于不同的α值，施肥針運(yùn)動軌跡變化很大，α變化時(shí)，運(yùn)動曲線變化如圖5所示。

圖5　不同α值時(shí)施肥針的運(yùn)動曲線

由圖5可知：在進(jìn)行軟件仿真中，施肥針與太陽輪初始角度α的變化會影響行星系的運(yùn)動曲線，進(jìn)而改變施肥針的模擬軌跡；同時(shí)，施肥針的入土深度與因子變量無關(guān)。

為了滿足符合設(shè)計(jì)要求，在模擬運(yùn)動軌跡的過程中，利用仿真軟件計(jì)算大量的不同因子變量α、β、θ，再根據(jù)粒計(jì)算決策樹并行算法，求出了施肥針最優(yōu)運(yùn)動曲線。施肥針最優(yōu)運(yùn)動曲線如圖6所示。

圖6　施肥針最優(yōu)運(yùn)動曲線

為了證實(shí)非規(guī)則齒輪扎穴機(jī)構(gòu)的正確性和可靠性，結(jié)合扎穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動力學(xué)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，利用Pro/E對施肥針運(yùn)動曲線建立3D模型，配置一系列假設(shè)的初始數(shù)據(jù)信息，并導(dǎo)入至三維仿真設(shè)計(jì)軟件ADAMS中，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動力學(xué)仿真。根據(jù)施肥針入土深度及在運(yùn)動過程中定性因子變量對軌跡的干擾，結(jié)合施肥針牽連運(yùn)動和阻力運(yùn)動合成最終的運(yùn)動軌跡。觀察非規(guī)則齒輪扎穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動曲線，并運(yùn)用人機(jī)對話仿真軟件進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)非規(guī)則齒輪扎穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動曲線正常，沒有干涉現(xiàn)象，仿真得到的運(yùn)動軌跡和理論算出的結(jié)果一致。

5結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對液體肥料的深入土壤噴施，提出了基于粒計(jì)算決策樹并行算法的非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中以施肥針運(yùn)動軌跡為例，利用三維仿真軟件ADAMS對扎穴機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)求解了參數(shù)的最優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：軟件仿真與理論分析設(shè)計(jì)得到的非規(guī)則齒輪扎穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡一致。本文設(shè)計(jì)的扎穴機(jī)構(gòu)驗(yàn)證成功，滿足液體施肥機(jī)的深入噴施的要求，能夠深入農(nóng)作物根部進(jìn)行施肥，并且不傷害農(nóng)作物根系，化學(xué)肥料吸收效率較高，極大地減少了環(huán)境污染。

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Bar Mechanism Design of Irregular Gear Planetary System Based on the Parallel Algorithm of Granular Computing and Decision Tree

Wei Xiaoyan

(School of Statistics, Hubei University of Economics, Wuhan 430205, China)

Abstract：As a large agricultural country with 21% people in the world, China should develop advanced modern agriculture, need to use chemical fertilizer and improve the efficiency of fertilizer use. Compared with the solid state fertilizer, the liquid is more easily absorbed by crops, and the fertilizer use is more direct, efficient and economical. Internationally, Russia, the United States, Australia and other countries have taken the lead in the use of liquid fertilizer. In order to save the fertilizer, improve the utilization rate of the fertilizer, save the economic cost and reduce the pollution to the soil. Based on the parallel algorithm of the decision tree, this paper designs and studies the mechanism of the planetary system of irregular gear, which is a little waste of chemical fertilizer and the absorption efficiency.

Key words：granular computing; decision tree; parallel algorithm; gear planet; bar mechanism

中圖分類號：S224.21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0128-05

作者簡介：魏小燕(1979-)，女，湖北鄂州人，副教授，碩士，(E-mail)wxy1979@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金子項(xiàng)目( QTZZ201402)

收稿日期：2015-09-05